Fizyka nurkowania i środowisko podwodne

Wiadomości zdobyte po przeczytaniu poniższego skryptu nie są wystarczające, do rozpoczęcia samodzielnego nurkowania. Aby rozpocząć przygodę z nurkowaniem powinieneś zapisać się na kurs nurkowania lub jeśli cię na to stać wziąć prywatne lekcje nurkowania. Dobra wiadomość dla szkolących się w systemie SDI. Podczas redagowania tego skryptu uwzględniłem wszystkie pytania znajdujące się w teście na stopień podstawowy OWSD / OWD . Skrypt został opracowany przez Klub nurkowy Humbak

Zmiany ciśnienia i objętości
Prawo Boyle'a - Mariota
Zużycie powietrza
Ciśnienie Parcjalne - Prawo Daltona
Rozpuszczanie się gazów - Prawo Henryego
Rozchodzenie się światła w wodzie
Rozchodzenie się dźwięku w wodzie
Utrata ciepła
Prądy morskie

Woda nie jest środowiskiem naturalnym człowieka. Przebywając pod wodą jesteśmy narażeni na większą utratę ciepła, gwałtowniejsze niż na powierzchni zmiany ciśnienia. Nasze zmysły będą odbierać świat nieco inaczej. Zamiast wiatrów pojawia się prądy. Ptaki będą rybami a my będziemy latać pomiędzy nimi. Staniemy się dla nich zagrożeniem lub potencjalnym pożywieniem.

Zmiany ciśnienia i objętości.

TOP

Ciśnienie otaczające nas na co dzień to 1 atmosfera 1[atm] = 1 [BAR] Kiedy zanurzamy się pod wodę ciśnienie otoczenia rośnie o 1 [atm], na każde 10[m]. Ciśnienie absolutne jest sumą ciśnienia pochodzącego od wody (hydrostatycznego) oraz ciśnienia atmosferycznego panującego na powierzchni akwenu. Na przykład na głębokości 34m ciśnienie wynosi 4,4 [atm], 1[atm] z powierzchni plus 3,4[atm] od wody. Powietrze, którym oddychamy zostaje zgniecione i również rośnie jego ciśnienie, a więc rośnie jego gęstość. Ciśnienie 1[atm] reprezentuje pewną ilość gazu N w zbiorniku . Jeśli np. ciśnienie w zbiorniku o tej samej objętości V zwiększymy do 2[atm] to ilość tego gazu wzrośnie 2 razy i będzie równa 2N .Przy 3atm ilość gazu będzie równa 3N . Jeśli natomiast balom z powietrzem o ciśnieniu znajdzie się na 10[m] p = 2[atm] to jego objętość zmaleje dwukrotnie. Na przykład powietrze w otwartym odwróconym do góry nogami pojemniku.

Widać tutaj ze objętość V zmienia się szybciej na mniejszych głębokościach. Ma to wpływ na większe zmiany pływalności przy powierzchni wody.

Prawo Boyle'a - Mariota opisuje przedstawione powyżej zjawiska Fizyczne.
p₁V₁= p₂V₂=N ilość gazu w tej samej temperaturze.
Na przykład:
3 litrowy V1 balon z powietrzem na 30[m] p₁ = (4atm) wynurzamy na głębokość 10[m] p₂ = (2atm). Jaka będzie jego objętość?
Czyli zgodnie z powyższym równaniem:
4[atm] * 3[l] = 2[atm]* V₂
co daje:
V₂= 4[atm] *3[l] / 2[atm] = 6[l]
Odp: 3[l] balon wynurzony z głębokości 30[m] będzie miał 6[l] na 10[m].

W rozdziale o medycynie nurkowej dowiemy się, że właśnie prawo Boyle'e jest odpowiedzialne za ciśnienia w naszych uszach. Czym tak naprawdę jest ciśnienie? Ciśnienie jest to siła działająca (pchająca) na daną powierzchnię. Ciśnienie panujące w wodzie jest spowodowane jej masą (oraz dla dociekliwych przyciąganiem ziemskim). Na przykład przyjmijmy, że 1m³ słodkiej wody waży 1000[kg] = 1[t] i wywiera on ciśnienie 1[atm] na 1m² powierzchni. Jeśli zamiast 1m³ wody słodkiej weźmiemy 1m³ wody słonej, której gęstość jest większa, to ciśnienie od tej słonej wody również będzie większe. Na to samo zjawisko możemy równie dobrze popatrzeć z perspektywy głębokości. Na przykład ciśnienie 2[atm] będzie znajdowało się płycej w wodzie słonej niż w wodzie słodkiej.

Zużycie powietrza (czynnika oddechowego).

TOP

Jeśli zrozumiałeś to, co napisałem powyżej powinieneś już sam wpaść na to jak obliczyć zużycie powietrza na danej głębokości. Jednak na wszelki wypadek przedstawię przykład obliczeń.
Przykład 1.
Załóżmy, że nurek zużywa 1,5 [BAR/min] jakie będzie jego zużycie na głębokości 30m.
Odp:
Na głębokości 30m panuje ciśnienie 4[BAR] więc w związku z tym, że ciśnienie powietrza którym oddycha nurek jest równe ciśnieniu otoczenia, to wdychane powietrze również ma 4 [BAR], więc jest 4 razy gęstsze od powietrza wdychanego na powierzchni. Objętość wdychanego gazu nie zmienia się, więc konsekwentnie zużycie powietrza jest 4 razy większe.
liczymy:
4* 1,5[bar/min]=6[bar/min]
Na głębokości 30m wspomniany nurek będzie zużywał 6[bar/min]

Przykład 2.
Nurek zużywa 20 litrów powietrza na minutę, ile barów ubędzie z 10 litrowej butli po 15 min.
Wciągu 15 [min] nurek zużyje 15[min]*20[l/min] = 300 [l] powietrza.
Zużycie 10 litrów powietrza z 10 litrowej butli spowoduje, że ciśnienie w butli spadnie o 1[bar].
300 [l] / 10 [l] = 30 nurek zużyje 30 razy po 10[l] więc ciśnienie w butli spadnie o 30 [bar].
Zapewne domyślacie się, że ten sam nurek na głębokości 10 zużyje 60[bar], a dlatego, że na tej głębokości panuje ciśnienie 2[atm] powietrze jest 2 razy gęstsze, więc i zużycie powietrza rośnie dwukrotnie.

Ciśnienie Parcjalne - Prawo Daltona

TOP

Dobrze jest zapoznać się z tym prawem aby potem w prosty i logiczny sposób zrozumieć zasady nasycania się gazem komórek ludzkich ( dekompresji ) a także przyczyny innych zagrożeń związanych z nurkowaniem.
Ciśnienie parcjalne jest to ciśnienie od poszczególnych cząstek gazu znajdujących się w mieszaninie gazowej.
Naszym czynnikiem oddechowym na co dzień na powierzchni tak jak i podczas nurkowań rekreacyjnych jest powietrze. Powietrze w przybliżeniu składa się w 80% (4/5) z Azotu N₂ i w 20% (1/5) z Tlenu O₂. Ciśnienie całkowite "P" jest równe sumie ciśnień od poszczególnych gazów. Na przykład na powierzchni znajdujemy się pod ciśnieniem 1 atm (czyli ciśnieniem atmosferycznym) gdzie 0.2[atm] jest ciśnieniem wywartym przez cząstki O2 a 0,8atm jest ciśnieniem pochodzącym od cząstek N2 .
Podsumowując: 0.2[atm] O2 + 0.8[atm] N₂ = 1[atm] powietrza.
Idąc dalej na głębokości 10[m] gdzie ciśnienie wynosi 2[atm]
Ciśnienie od O₂ = 0,4[atm] a od N₂ = 1,6[atm] co w sumie daje 2[atm].
Na głębokości 15[m] ciśnienie wynosi 2,5[atm] co daje:
0,2[atm] O2 * 2,5 = 0.5[atm] wywartej przez O₂
0.8[atm] N₂ * 2,5 = 2[atm] wywartej przez N₂

Rozpuszczanie się gazów - Prawo Henryego.

TOP

W fizyce istnieje zjawisko nasycania się cieczy gazami. Henry powiedział ze ciśnienie gazu rozpuszczonego w cieczy jest równe ciśnieniu gazu znajdującego się nad tą cieczą. Znaczy to tyle ze jeśli wzrośnie ciśnienie gazu nad cieczą to gaz zacznie się w tej cieczy rozpuszczać, jeśli natomiast ciśnienie gazu nad cieczą zmaleje to gaz rozpuszczony w cieczy zacznie się z niej ulatniać.

Jak już wcześniej zauważyliśmy zmiana głębokości wiąże się ze zmianą ciśnienia. Zmiana ciśnienia powinna doprowadzić do zgniatania wolnych przestrzeni powietrznych w naszym organizmie. Do zgniatania jednak nie dochodzi gdyż wszystkie wolne przestrzenie zostają wypełnione gazem pod ciśnieniem otoczenia, co powoduje równowagę ciśnień działających na nasz organizm. Przestrzenią, w której ciśnienie nie chce wyrównywać się samo jest ucho środkowe. Ciśnienie to wyrównujemy zatykając nos jednocześnie dmuchając powietrze do uszu, lub tez wysuwając żuchwę do przodu. W przypadku, kiedy nurkujemy na bezdechu, czyli zanurzając się z powierzchni ze wstrzymanym oddechem, objętość płuc maleje a sztywną część ciała pod żebrami zaczynają wypełniać wnętrzności z brzucha.

Nie należy także zapomnieć o tym, że każdy wdech i wydech powoduje zmianę objętości naszej klatki piersiowej a co za tym idzie zmianę naszej pływalności.

Rozchodzenie się światła w wodzie

TOP

Fakt załamania się światła na granicy szkieł maski i wody (zjawisko refrakcji) powoduje to ze przedmioty które widzimy wydają się być większe o 1 oraz bliższe o 1 .

Światło padające do wody zostaje bardzo szybko zaabsorbowane przez jej cząstki. I tak przykładowo w czystej wodzie morskiej na głębokość 3m dociera 50% światła z powierzchni, natomiast na głębokość 24m dociera zaledwie 7% światła. Absorpcja światła nie jest jednakowa dla wszystkich kolorów. Kolor czerwony znika jako pierwszy, natomiast kolory żółty i fioletowy docierają najgłębiej. Tak w celu uzyskania pełnej gamy kolorów na większych głębokościach należy zabrać latarkę.

Rozchodzenie się dźwięku w wodzie

TOP

Dźwięk w wodzie rozchodzi się znacznie szybciej niż w powietrzu. Przyczyna tego jest większa gęstość ość ośrodka. W powietrzu dźwięk rozchodzi się z prędkością 330m/s natomiast w wodzie w zależności od jej gęstości (zasolenia) prędkość ta wynosi od 1410 - 1550 m/s , czyli ok. 4 - 5 razy szybciej niż w powietrzu. Na powierzchni człowiek wie, z której strony dochodzi do niego dźwięk, ponieważ jest w stanie wyczuć różnice czasowe pomiędzy dotarciem dźwięku pomiędzy jednym a drugim uchem. Pod wodą z racji szybkości rozchodzenia się dźwięku różnica ta jest tak mała, że kierunek jego rozchodzenia się nie jest wyczuwalny.

Utrata ciepła

TOP

Duża gęstość wody powoduje także o wiele szybsza niż na powierzchni wymianę ciepła (proces kondukcji). Powoduje to 25 razy szybszą utratę ciepła w wodzie niż na powierzchni. Zakładanie odzieży ochronnej może zmniejszyć szybkość utraty ciepła. Szczególnie narażoną częścią ciała jest głowa, gdyż nie posiada ona mechanizmów obronnych przed utrata ciepła. Np. gęsia skorka.

Opory ruchu w wodzie rosną wykładniczo wraz z prędkością, dlatego tez idealna prędkość do przemieszczania się w wodzie to około 1 - 2 km/h

Dotyk oraz sprawność manualna rąk zostaną nieco ograniczone przez rękawice, lub też zmarznięte ręce.

Prądy morskie

TOP

Na szczególna uwagę zasługują także wszelkie ruchy wody:

Pływy: jest to przemieszczanie się ogromnych mas wody na skutek przyciągania księżyca. Powodują one zmianę poziomu wody, w zależności od regionu, od kilku cm (np. Bałtyk) do kilkunastu m (np. zachodnie wybrzeże Francji ) .
Mają one także wpływ na czystość wody. Zaraz po przypływie woda jest czysta natomiast przy odpływie jest już trochę zmącona.

Prądy: na morzu i w oceanach mamy do czynienia z wielkimi prądami morskimi przepływającymi przez całe oceany. Występują one zawsze i nie zmieniają się. Często nanoszą on masy wody pełne życia i o temperaturze różniącej się o kilka stopni w porównaniu do normalnej temperatury oceanu w danym regionie. Prądy występujące okresowo na skutek pływów, wiatrów i innych warunków pogodowych potrafią być niejednokrotnie bardzo silne i stanowić duże zagrożenie dla nurka wypychając go na pełne morze.

Przelewy stanowią szczególne zagrożenie dla nurkujących blisko brzegu. Są one spowodowane falami wpływającymi pomiędzy szczeliny skalne i wypływającymi i rozpływającymi się innymi drogami takimi jak syfony, lub inne szczeliny skalne. Mogą one spowodować wepchnięcie i zaklinowanie nurka pomiędzy skałami, czy też po prostu pozostawienie go w ciężkim ekwipunku na ostrych skałach.

Fale spowodowane wiatrem, pływami, różnicami ciśnień mogą napływać z każdej strony i wzajemnie nakładać się na siebie. Mają one duży wpływ na widoczność w wodzie, zwłaszcza w rejonach z piaszczysto mulistym dnem, które może zostać zmącone. Nawet małe fale dobijające do ostro spadającego dna mogą spowodować ruchy wody z którymi nurek nie będzie mógł sobie dać rady.

Termoklina jest to nagła zmiana temperatury w wodzie związana ze zmianą głębokości. W morzach i oceanach występuje ona na stałe na głębokości 200m , okresowo pojawia się także druga termoklina na głębokości około 20m. W mniejszych zbiornikach ze słodka wodą termoklina ta występuje od 5 do 8m w zależności od pory roku.

Woda zwłaszcza w mniejszych zbiornikach ma duże zmiany widoczności w ciągu roku. Spowodowane to jest między innymi zakwitem wody, czyli nagłym rozwojem życia w okresie wiosennym. Często obserwuje się warstwę mętnej wody na głębokości termokliny. W zbiornikach często odwiedzanych przez płetwonurków obserwujemy duże zmiany widoczności w ciągu tygodnia. Związane jest to z mąceniem dna przez mniej doświadczonych nurków.

Środowisko podwodne i ukształtowanie terenu może być w dużym stopniu pomocne do orientacji i nawigacji podwodnej. Należy tu głównie zwrócić uwagę na nachylenie terenu. Na piaszczystym dnie występują zafalowania nawet do głębokości 20m. Powstają one głównie od fal przybojowych i są równoległe do linii brzegu. Pomocne mogą być także linie zmian roślinności podwodnej, oraz rodzaju dna (np. kamienie /piasek).

To co widzimy pod wodą jest piękne, ale może być równie dobrze niebezpieczne. O rośliny możemy się zaplątać a ryby korale, meduzy i inne stworzenia morskie mogą nas niejednokrotnie boleśnie lub śmiertelnie zranić i poparzyć.

TOP